（国网江苏省淮安供电公司）
摘要：在电力系统中，35kV 及以下电压等级的母线由于没有稳定问题，一般未装设母线保护。中低压母线在发生短路故障时产生的弧光对设备及人员造成极大伤害，有的可能引发连锁事故。针对当前的现状，本文的主要工作如下：详细分析了开关柜弧光短路故障的原因、产生的危害。开关柜一次设备弧光预警及保护系统的组成及各部分功能，讨论了新型开关柜一次设备弧光预警及保护设备在电力系统的配置应用，力求最小成本和最简单接线达到保护配电装置安全运行的最大要求。
关键词：弧光保护；开关柜；母线；IEC61850
0 引言
近年来，随着国内电力工业的高速发展，中低压开关柜的应用数量越来越多，其中开关柜内部弧光短路是一种频发性、灾难性故障，越来越严重地威胁着电力设备的安全运行。开关柜内部的弧光短路故障，往往由于没有得到及时清除，发展成为中低压母线故障，造成供电系统失稳、大面积停电、开关设备严重烧毁等灾难性后果，甚至造成人身伤亡事故。所以，分析和研究开关柜弧光短路故障引发的母线故障的原因及影响因素，进而采取有效的保护措施，具有非常重要的现实意义[1]。
1 弧光产生的原因及危害
1.1引起开关柜弧光短路故障的原因很多，一般分为以下五类
1）绝缘故障：主要是柜中绝缘材料爬距不足，未满足加强绝缘要求，在脏污环境，天气潮湿下发生绝缘故障。另外，由于绝缘材料材质缺陷，运行年限较长的开关柜，在强电磁场作用下绝缘老化，也可能造成绝缘损坏而导致故障；
2）载流回路不良：由于一些接头截面不够，紧固螺栓松动，手车柜触头接触不良，在大电流流过时引起发热、冒火从而引起相间，相对地击穿等等；
3）外来物体的进入：如小动物（老鼠等）进入开关柜内部，或维修人员在工作完成后将工具遗留在开关柜内；
4）人为操作错误：如走错间隔、误操作、未对工作区域进行接地、未对工作区域进行验电等；
5）系统方面的原因：如系统容量增大、接地方式改变、电缆应用增多、保护及自控装置配置不当、系统谐振过电压等[2，3]。
1.2 弧光发生时的危害
1）弧光的中心温度高（约为20000℃），所以弧光产生后可引爆开关柜、引燃电缆；
2）、使上一级变压器承受近距离短路故障冲击，故障电流产生的电动力可能使变压器绕组变形发生匝间短路；
3）故障产生的弧光冲击波能以300m/s的速度爆发，若波及站内直流系统会使全站直流失电；
4）爆破音损伤耳膜，肺脏；
5）高温灼伤人体皮肤，强光损伤眼睛。
2 弧光故障的分析研究
电力系统中性点是三相绕组做星形连接的变压器或发电机的中性点，根据中性点接地方式的不同，分为大接地系统（中性点直接接地或经小阻抗接地）和小接地系统（中性点不接地或经消弧线圈接地），我国中低压电网大多采用小电流接地方式。在电力系统的运行过程中，时常会发生故障，其中大多数是短路故障，而故障的大多数为单相接地故障[4]。在这一故障下，小电流接地电网线电压仍对称，当电网发生单相接地故障时，三相线电压和相电流变化甚小。由于不构成短路回路，单相接地电流对用户供电影响不大。但是，必须在较短时间（一般 2 小时）内迅速清除故障，以免故障扩大。若电网在单相接地故障下长期运行，因非故障的两相电压升高为线电压，可能造成绝缘的薄弱环节被击穿，引起两相短路甚至三相短路，使得故障扩大，造成巨大损失。所以，近几年来许多学者对其进行了研究。许多小电流接地选线装置投入现场使用，并且探索利用单相接地故障时，零序电流中暂态分量的丰富信息判断故障线路的方法[5]。但还停留在仿真研究和探索用何种算法来提取暂态信号特征上，很少有对小电流接地系统单相弧光接地故障的暂态特性进行研究的。
以下为对中性点不接地系统中电流与弧光的关系的研究：
如图1所示的中性点不接地系统网络接线，图中采用集中参数忽略线路阻抗，各线路的各相对地分布电容分别相等。正常状态下，电源电压EA、EB和EC，是对称的。每相对地电容电流都超过前相电压90度，三相电容之和为零。假设在A相S点发生单相接地短路。Rd为接地电阻，当金属接地时为零。
正常情况下，由于三相对称，电网对地电容电流很小。当出现单相接地短路时，将出项较大对地电流，由图2可得：
通过对电网中中性点接地和单相接地两种形式的理论分析，可以得出当弧光事故发生时，其相电流必然增大的结论。
3 一种新型的开关柜一次设备弧光预警及保护系统
3.1 概述
该开关柜一次设备弧光预警及保护系统是适用于供电、配电和用电系统的继电保护与测控装置。使用该系统，可以在100ms以内快速切除故障点以限制故障电弧的持续时间，从根本上限制故障电弧，消除其各种效应对设备和人员的危害，并最大限度地降低弧光对开关设备的损坏程度。系统采用检测弧光和过流双判据原理，具有原理简单、动作可靠迅速、对变电站一次设备无特殊要求、适应于各种运行方式，且在各种运行方式下保护不需要切换等优点，为目前发电厂、变电站、工业及商业配电系统 380V ～ 110kV 中低压母线保护理想的解决方案，也可应用于配变、环网柜、整流柜等电力设备的弧光保护。
3.2 开关柜一次设备弧光预警及保护系统的原理
开关柜一次设备弧光预警及保护系统基于电力设备的在线监测技术，通过检测开关柜内部发生故障时发出的弧光来判断是否发生故障，属于固定式多参数综合性自动诊断系统。利用弧光传感器检测到电弧的明显变化，来进行第一步的故障诊断，再通过传感器将电弧这种非电量信号转换为电信号后再进一步进行处理。为了避免外界光干扰引起的误跳闸，在实际应用中往往还引入过流信号当检测到弧光信号时，然后检测电流突变量信号才发出跳闸指令切除故障，从而进一步提高保护系统的可靠性，其原理如图3所示。开关柜一次设备弧光预警及保护原理很简单，主要动作依据为故障产生的两个不同因素：弧光及电流增量。当同时检测到弧光和电流增量时发出跳闸命令。也就是说当系统发生故障，弧光传感器将弧光信号转化为电信号，通过 I/O 辅助单元传给主控单元，主单元再通过检测电弧及电流信号并且达到启动值，就发出跳闸信号。
3.3 开关柜一次设备弧光预警及保护系统的组成及功能特点
开关柜一次设备弧光预警及保护系统由主控单元、弧光探测器组成。系统功能及特点如下：
1）具备开关失灵保护功能；
2）具备故障方位的精确定位功能；
3）具备故障与波形记录信息的管理功能；
4）具有快速出口切断故障点的功能，总的出口时间少于10ms；
5）如果弧光传感器持续动作7s以上，该传感器连接的电干扰光线消失，弧光信号单元就恢复正常功能故障报警复位；
6）具备对时功能，同步精度优于1ms；
7）所有功能可以通过后台软件组态完成；
8）组合插件式结构，后插拔机箱，强弱电完全分离；
9）插件间基于交换网络总线联系，通信故障可实时检测；
10）保存不少于10个最近发生的跳闸事件报告，保存不少于50个告警报告及操作记录；
11）存储10套保护区域定值，双重化定值区自检及互检相结合，定值投退安全方便；
12）支持常用电力规约，支持智能变电站的IEC61850规约。
3.4弧光保护与过流保护比较
最有效降低弧光伤害的方法是以最快的速度切断故障电源，弧光保护正是为这个需求而设计的。根据资料，弧光保护提供了不大于 10ms 跳闸输出，总的切故障时间为 60～100ms，且不会对开关设备造成损坏，比一般的过流保护动作时间大大减少。在弧光故障对开关等设备造成危害以前就能有效切除故障，降低了故障造成的损失，保证了设备及人身的安全。开关柜一次设备弧光预警及保护装置是专用于中低压开关柜的母线保护装置，适用于母线馈电回路多的特点，可以扩充回路数量，同时动作时间快，采用电流闭锁，误动几率降低，可靠性高，并且具有故障定位功能。这些都是一般的电流保护所不具备的优势。因此，中低压母线装设开关柜一次设备弧光预警及保护是比较理想的选择。
3.5开关柜一次设备弧光预警及保护系统的电力应用系统图
开关柜一次设备弧光预警及保护系统分为两大部分：一部分为主控单元，一部分为弧光探测器。整个系统采用了多探测器监控，实现了多位置，多角度监控，监控灵活，范围大，保护动作可靠。在探测器中采用了光敏元件加装部分光罩，增强了探测器采光的方向性和保护对象的针对性。安装时将探测器固定在支架板上，支架板选择安装在开关柜母线侧室监控点附近。当被监控点出现弧光越限时，并且进线电流同时越限，此时主控单元经控制回路使执行电路动作，启动跳闸回路，迅速断开进线开关或者母联开关，从而实现对母线的保护。
4 结论
随着光电技术和计算机技术的飞速发展，新技术在电网中得到了越来越广泛的推广和应用，这极大提高了电网的可靠性和运行效率。开关柜一次设备弧光预警及保护系统作为电力系统中的重要组成部分，具有原理简单，动作迅速可靠，故障点定位、断路器失灵保护、抗干扰能力强、适应性强等优点，该系统的应用为确保电力系统供电安全可靠运行提供了一种离线的中低压母线保护解决方案，并伴随着新技术的不断推广，将在保障电网安全方面发挥越来越重要的作用。
参考文献：
[1] 樊建军.电弧光保护在中低压开关柜和母线保护中的应用.内蒙古电力技术，2008 29（9）：26-28.
[2] 田广青.电弧光保护及其在中低压开关柜和母线保护中的应用.电工技术杂志，2004，1：27-30
[3] 朱根良.浅议中压开关柜事故调查中的故障分析.高压电器，2002，38（5）：62-63
[4]R.A.Jones，et al．Staged Tests Increase Awareness of ArcFlashHarzards in Electrical Equipment，IEEE Petroleum and Chemical Indutry Conference，September 1997
[5]Hanninen E，Lehtonen M.Characteristics of earth faults in electrical distributionnetworks with high impedance earthing.Electric Power System Research，1998，
作者简介：
王德全：（男，1978年7月生，江苏淮安人，高级工程师、高级技师，从事继电保护、自动化等专业工作）
吴绍武：（男，1973年6月生，江苏淮安人，高级工程师、技师，从事继电保护、自动化等专业工作）
李海涛：（男，1979年12月生，江苏淮阴人，高级工程师，技师，从事电网规划前期、继电保护等工作）等。
论文作者:王德全,吴绍武,李海涛
论文发表刊物:《电力设备》2015年第10期供稿
论文发表时间:2016/4/20
标签：弧光论文; 开关柜论文; 故障论文; 母线论文; 系统论文; 电流论文; 设备论文; 《电力设备》2015年第10期供稿论文;